Em 1961, a Arca, uma nave especial dos cybertrons, a unica esperança deles na Guerra contra os decepticons, depois de atingida na fuga de cybertron, acaba caindo na lua. A NASA detecta e a mando do presidente Kennedy adianta o programa espacial para ir a procura da nave e em 1969 eles a encontram.
No presente, os autobots trabalham para o governo americano em missões secretas para paz no mundo. Em uma missão em Chernobyl eles descobrem um artefato que veio da Arca. O paradeiro da Arca na lua é então revelado aos Autobots (Está no lado da lua que não é visível pelos satélites, conhecido como Lado Escuro da Lua {Dark side of the moon, sacou?})pelo governo americano, e eles partem em direção a lua, onde acham em estado comatoso o criador da Arca e antigo líder Autobot Sentinel Prime.Optimus o traz de volta a terra e usa a energia da sua matriz para revive-lo.
Sentinel revela que a Arca na verdade era uma nave capaz de teletransportar qualquer coisa. Na nave que caiu na lua, estão 5 pilares necessários para que a maquina funcione. No entanto será necessário achar outras centenas de pilares.
Enquanto isso, Sam Witwicky (Shia Labeouf) vive com sua nova namorada Carly Spencer, que o banca, já que depois da faculdade ele não conseguiu achar emprego. Alem disso, Sam fica com ciúme da relação de Carly com seu extremamente bem sucedido chefe Dylan Gould (Patrick Dempsey). Sam arruma um empreguinho cuidando da correspondecia de uma grande firma e la acaba recebendo informações secretas de um colega de trabalho chamado Jerry Wang, que lhe conta tudo sobre a Arca e depois é assassinado pelo condor decepticon laserbeak. Sam, consegue fugir depois de ser atacado pelo mesmo decepticon, e ao pedir ajuda ao governo, é ignorado e humilhado pela agente responsável do governo. Sam decide então fazer sua própria investigação contactando Seymour Simmons, o antigo agente da Unidade 7 da CIA e agora escritor de livros de conspiração.
Eles descobrem que os decepticons, através de sondas russas descobriram a Arca e os pilares antes dos americanos e dos autobots e que os centenas de pilares que estão faltando já estão com eles. O plano dos decepticons era que os autobots trouxessem Sentinel Prime de volta a vida, pois ele era o único capaz de fazer a Arca funcionar. Sam avisa o governo, que com as provas acredita nele e coloca todos para levar Sentinel Prime para a base segura do governo. No entanto quando conseguem chegar La, Sentinel Prime revela que fez um trato com os decepticons para a sobrevivência da raça e foge com os pilares, matando Ironhide (era um carro cinza).
Sentinel Prime usa os pilares para transportar centenas de decepticons para a terra. Enquanto isso, Sam descobre que Gould trabalha para os decepticons. Gould fazia tudo que eles precisavam na terra para por em pratica o plano dos decepticons de Trazer o planeta inteiro Cybertron para substituir a terra. Ele seqüestra Carly.
Por conta disso tudo, os autobots são exilados da terra, e no momento que eles estavam na nave saindo, os decepticons lançam uma bomba que explode a nave. Com o caminho livre, eles fazem de Chicago o seu quartel general e destroem completamente o lugar matando milhares de pessoas. O plano dos decepticons é trazer seu planeta para a terra e usar os humanos como escravos para reconsruir a terra.
Sam, vai até Chicago para achar Carly que está La seqüestrada por Gould, e chegando La, ele descobre que os Autobots estão vivos. Eles so fingiram irem embora para ter o elemento surpresa.
Bom, aí acontecem milhares de explosões e confusões e no fim
Sam derrota Gould e salva Carly, e depois de Carly ter posto uma pilha errada em Megatron, o líder dos decepticons, (Ela diz a ele que Sentinel é que será o líder, e que megatron, muito ferido desde sua ultima luta com Optimus prime, ficará em segundo plano) Ele parte pra cima de Sentinel e o derrota no momento que Sentinel ia matar Optimus. Optimus se recupera (apesar de ter perdido um braço) e consegue matar tanto Sentinel quanto Megatron, impedindo que eles trouxessem Cybertron para a terra.